农田土壤有机质提升理论与实践

上篇土壤有机质提升的基本原理 **章农田土壤有机质的作用与功能 土壤有机质（SOM）是指存在于土壤中的一切含碳有机物，包括土壤中破碎的动植物残体，微小生命体及其分解、合成的各种有机物质，以及微小的异源有机物质（李学垣，2001）。经典土壤学将土壤有机质定义为土壤中的生命体及其死亡的生物质残留和腐殖质。土壤中的生命体及其死亡的生物质残留是非腐殖质，代表没有降解或者降解残留的植物源有机物质。腐殖质包括腐殖物质和非腐殖物质（利用和分解有机质留下的微生物源物质）（潘根兴等，2019）。腐殖物质是土壤腐殖质的主体，占土壤腐殖质总量的70%～80%，主要包括富啡酸、胡敏酸和胡敏素等。一般而言，土壤有机质占土壤固相组成不超过10%，但它是土壤的重要组成部分，对改善土壤理化性状、提供养分供应及改善生态环境发挥重要作用，是衡量土壤质量水平的一项重要指标。从元素组成来看，土壤有机质主要由C、O、H、N等元素组成，其中C含量平均占比58%，因此土壤有机碳（SOC）作为表征土壤有机质特性的重要指标而备受关注。 在成土过程中，*早出现在母质中的有机体是微生物，因此微生物是土壤有机质的*早来源。随着成土过程的发展，过去的主流观点认为植物残体是土壤有机质的基本来源。因此，土壤有机质的化合物组成与植物残体的化学组成密切相关，土壤有机质中主要的化合物组成是类木质素和蛋白质，其次是半纤维素、纤维素及其乙醚和乙醇可溶性化合物（黄昌勇和徐建明，2010）。但近年来新的研究观点认为微生物残体是土壤有机质积累的主要驱动因素（渠晨晨等，2022），有研究表明，土壤微生物残体的有机碳储量可高达活体有机碳的40倍（Liang et al.，2011），采用氨基糖生物标志物方法测算出土壤微生物来源有机质占总有机质的33%～62%（Angst et al.，2021；Liang et al.，2020），利用扫描电子显微镜在土壤颗粒表面原位观察到了大量微生物残体碳（Miltner et al.，2012），这些研究充分说明微生物残体是土壤有机质累积的主要驱动因素，土壤有机质来源仍存在一定的不确定性。 土壤有机质含量取决于有机物质（植物枯枝落叶、根茬、有机肥等）输入量与有机质分解之间的动态平衡。据估算，全球土壤有机碳储量可达1500Pg（1m深土层）和2200Pg（2m深土层），是陆地植被生物量碳储量和大气碳储量的数倍（潘根兴等，2019）。我国土壤有机碳库估值为50～185Pg，约占全球土壤有机碳的6%（龚子同等，2016）。全球农业利用土壤覆盖面积为4961万km2，其中耕地1369万km2，占全球陆地面积的10.5%（潘根兴，2008）。全球农田土壤有机碳储量约170Pg，超过全球陆地有机碳储量的10%（郑聚锋和陈硕桐，2021）。近年来，我国农田土壤有机碳储量占全球农田碳库的8.8%～17.6%（Ren et al.，2012），因此我国农田土壤有机质在全球陆地碳循环中发挥着重要的作用。农田土壤有机质是形成土壤肥力的基础，是土壤养分的载体和来源。农田土壤有机质含量的高低决定着农业生产力，对维护国家粮食安全及重要农产品供给发挥重要作用，同时农田土壤有机质也是受人类活动影响*为强烈的土壤碳库。人为的农业管理与施肥措施对农田土壤碳库具有很大的调节作用，采用合理有效的农业管理措施，如增施有机肥、无机-有机肥配施、秸秆还田或采取高效集约的农作制度可以增加农田土壤有机碳的固定。高投入、高产出的经营方式是我国农业的长期发展趋势，保持农业土壤碳库的稳定增长不仅是减缓全球气候变化的需要，更是保障农业高产稳产和粮食安全的需要。我国是世界上平均土壤碳库含量较低的国家。据估算，1980～2000年我国农田土壤0～20cm土层有机碳固定增加速率为15～20Tg/a（Huang and Sun，2006），在0～30cm土层中增加速率为16.6～27.8Tg/a（Sun et al.，2010）。另外，自1980年起，持续增加的有机碳含量也表明我国的农田土壤具有很大的固碳潜力。据估计，1980～2009年，我国华北、西北、华南、西南和华东地区农田表层（0～30cm）土壤有机碳库共增加了418～1109Tg，但是东北地区降低了15～89Tg，总净增加量为730Tg（329～1095Tg），平均增加速率为24.3Tg/a（11.0～36.5Tg/a）（Yu et al.，2012）。1980年和2000年，我国农田土壤碳含量净增长分别占过去30年间总净增长的20.3%和45.3%。近年来，我国大力推行和实施《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，高度重视秸秆还田技术推广、大力推动有机肥施用、实施有机肥替代化肥行动等，耕地土壤有机质含量有所上升，且基本稳定在24.9g/kg，这也为提高肥料利用率、减少不合理投入、保障粮食安全、促进农业可持续发展发挥了重要作用。 联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第四次评估报告指出：农业生产的CO2近90%的减排份额可以通过土壤固碳减排实现，因此“千分之四全球土壤增碳计划”应运而生，即全球2m深土壤有机碳储量每年增加4‰，就可以抵消当前全球矿物燃料的碳排放。由此可见，土壤有机质管理在调节气候变化和生态系统生产力方面具有重要作用。2020年，我国政府提出要在2030年之前实现碳达峰、在2060年之前实现碳中和，毋庸置疑，土壤将发挥更大的潜在作用，特别是在增加碳固持、减少碳排放等方面的作用将尤为显著。 **节土壤有机质的肥力作用 一、土壤有机质的结构、存在状态及其对土壤物理性状的作用 一般根据土壤有机质在土壤中的分解难易程度和转化时间，将土壤有机质分为3个库：①不稳定土壤有机质（活性有机质），主要以微生物量有机质、可矿化有机质、可溶性有机质、碳水化合物为主，该库的特点是活性强、分解速率快、转化快；②稳定土壤有机质（缓性有机质），以颗粒有机质、碳水化合物和脂类为主，周转和分解速率慢于不稳定土壤有机质，是土壤固定有机碳的主要碳库；③极稳定土壤有机质（惰性有机质），以木质素、腐殖质、多酚为主，分解速率慢，转化周期长（何亚婷，2015）。 虽然早在18世纪80年代，Achard就开始了有机质的分离研究（斯蒂文森，1994），但对有机质特性的广泛认识，则是在近代。*初，人们按照化合物的种类将其分为腐殖质和非腐殖质，之后又将腐殖质按其酸溶或碱溶的特性区分为胡敏素、胡敏酸和富啡酸，然后再采取各种化学方法将其细分。20世纪70～80年代，人们从有机质的分解转化方面，对有机质分组进行了更深入的研究，提出了活性有机质的概念。活性有机质即土壤有机质的活性部分，并不是一种单纯的化合物，是土壤有机质中具有相似特性及较高有效性的那部分有机质，在土壤中有效性较高，易被土壤微生物分解矿化，对植物养分供应有*直接作用。尽管活性有机质占总有机质的比例很小，但其是引起土壤有机碳库发生*初变化的主要组分，对土壤碳素的转化尤为重要，对调节土壤养分流有很大影响，对土壤管理措施响应明显，而且与土壤生产力密切相关。 采用物理分组方法分离土壤活性有机质是自20世纪70年代开始的。由于应用物理分组方法对有机质结构破坏程度极小，分离的有机碳组分能够反映原状有机质结构与功能，尤其能够反映有机质周转特征，所以这种方法在土壤有机碳的研究中受到更多的重视。常用的物理分组法包括颗粒大小分组法、颗粒相对密度分组法或这两种方法的结合。测定活性有机质一般多用相对密度分组法。依据土壤中碳组分的密度不同、粒径大小不同及团聚体稳定性不同，可分为密度分组、粒径分组和团聚体分组等。其中，密度分组是指主要通过不同密度的溶液（重液）将土壤中密度较低的游离态活性有机物质和密度较高的有机-无机复合体分离开来的过程（梁贻仓，2013）。悬浮液中的有机碳组分被称为轻组有机碳，轻组有机碳主要是“新碳”组分，主要是部分分解且未腐殖化的有机质，包括动植物的凋落物和排泄物、微生物残骸、真菌菌丝、孢子等，主要成分是单糖、多糖及半木质素等较易被微生物分解利用的底物，是土壤中的活性碳库。有报道指出，轻组碳分解速率是重组碳的2～11倍（Gregorich et al.，1994）。 一般而言，轻组有机物是能快速转化、具有相对高的碳/氮（C/N）、相对密度显著低于土壤矿物中未分解和半分解的动植物残体，它代表了中等分解速度的有机碳库，可作为土壤质量的灵敏的指示剂，特别是有机质质量的指示剂，主要是因为与总的有机质相比，它对管理措施的变化更为敏感。重组有机物主要是与土壤矿物紧密结合的土壤腐殖物质，转化较慢，C/N较低，属于分解速度极慢的有机碳库。Dalal和Chan（2001）研究发现，轻组有机物含有76%～96%的活性有机质，且轻组有机碳与土壤呼吸速率和微生物氮含量密切相关。因此，轻组碳基本体现了土壤活性有机质。沉淀的部分为重组有机质，是与矿物结合的有机碳，主要成分是腐殖质，分解程度较高，C/N较低，是稳定的惰性碳库。 粒径分组和团聚体分组都是依据有机碳组分的颗粒大小来区分的，不同点在于，粒径分组使用物理或化学手段破坏了团聚体，得到的是稳定性更强的有机-无机复合体组分；团聚体分组通常不会对团聚体进行人为的机械破坏，而是采用水中筛分的方法获得水稳性团聚体。粒径分组通常情况下将土壤有机碳分为5个部分，分别为砂粒、粗粉粒、细粉粒、粗黏粒和细黏粒（窦森，2010），以2000μm、53μm、5μm、2μm、0.2μm为分界。有机质与砂粒结合较弱，通常不形成复合体，其结构与轻组有机质有较强的相似性，属于易分解的碳库。粉粒大小的颗粒有机碳富含植物来源的芳香族成分，而黏粒结合的有机碳主要是微生物代谢的产物（张丽敏等，2014），两者均能形成较为稳定的有机-无机复合体。5个组分中，砂粒结合的有机碳分解程度*低、稳定性较弱；粉粒和黏粒分解程度依次增加，能够形成复合体，稳定性也相应有所增强；细粉粒和粗黏粒与有机碳的结合更为紧密，也较其他组分的稳定性更强。团聚体的形成受多种土壤生物化学过程的影响，对土壤有机碳的长期稳定具有重要意义。前人的大量研究表明，土壤团聚体是影响有机碳稳定性的重要因素。团聚体有机碳为微生物进行腐殖化过程提供了更多的底物，保证了水稳性团聚体的形成，对土壤质量和结构具有重要的意义。土壤有机质的主体是与矿物结合的有机-无机复合体，它与微团聚体和大团体的形成是土壤固碳的主要途径（李学垣，2001）。耕地类型、种植制度、施肥措施均可影响团聚体有机碳的分布，我们采用整合分析研究了不同耕地类型、种植制度及土壤质地条件下施肥对各粒径团聚体（＞2000μm、250～2000μm、53～250μm、＜53μm）有机碳含量的影响（陆太伟等，2018），与不施肥相比，施用有机肥和化肥均显著提升了土壤总有机碳及＞2000μm、250～2000μm、53～250μm粒径团聚体有机碳含量，有机肥对各级团聚体有机碳的提升幅度（39.7%～72.3%）是化肥（4.3%～15.8%）的4.6～9.2倍（P＜0.05）。对于＜53μm团聚体有机碳而言，施用化肥无影响，但有机肥能显著提升其有机碳含量。施用有机肥有利于农田土壤团聚体有机碳的累积，尤其是大团聚体（＞250μm），而不同条件下，尤其在旱地及质地较轻的砂土中，对土壤团聚体有机碳含量的累积更应该考虑有机肥的投入。 二、土壤有机质的化学组成及其对土壤化学性状的作用 在化学组成方面，从18世纪80年代开始，对有机碳的研究一直集中在腐殖质元素组成、官能团结构和性质等方面。一般将腐殖质分为两类：一类是与已知的有机化合物具有相同结构的单一物质即非腐殖质类物质，包括碳水化合物、碳氢化合物及含氮化合物，占腐殖质总量的5%～15%；另一类是腐殖质类物质，根据颜色和酸碱溶解性一般被分为胡敏素、胡敏酸和富啡酸，占腐殖质总量的85%～95%。由于腐